KR20200039393A - Estimating method and controlling method for water content of fuel cell and system of the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed is an estimation method for water content of a fuel cell, comprising the following steps: measuring a temperature of cooling water for cooling a fuel cell stack; calculating current heat capacity of the fuel cell stack based on the measured temperature of the cooling water; and estimating the water content of the fuel cell stack based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack. The present invention has an effect of improving the power generation performance and durability of a fuel cell.

Description

연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템{ESTIMATING METHOD AND CONTROLLING METHOD FOR WATER CONTENT OF FUEL CELL AND SYSTEM OF THE SAME}ESTIMATING METHOD AND CONTROLLING METHOD FOR WATER CONTENT OF FUEL CELL AND SYSTEM OF THE SAME}

본 발명은 연료전지의 함수량 추정방법 및 제어방법과 그 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택의 내부에 포함된 수분량을 추정하고, 이에 따라 연료전지를 제어하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method and method for estimating a moisture content of a fuel cell and a system thereof, and to a technique for estimating the amount of moisture contained in the fuel cell stack and controlling the fuel cell accordingly.

연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 점에서 차이가 있다. A fuel cell is a type of power generation device that converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy directly. Basically, it is the same as a chemical cell in that it uses oxidation and reduction reactions, but unlike a chemical cell that reacts in a cell inside a closed system, the reactants are continuously supplied from the outside to continuously remove the reaction product from the system. There is a difference.

최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. In recent years, fuel cell power generation systems have been put into practical use, and research for use as an energy source for eco-friendly vehicles has been actively conducted because the reaction product of the fuel cell is pure water.

연료전지의 화학 반응이 발생하는 연료전지 스택의 내부에는 수분을 포함된다. 화학 반응이 활성화되기 위하여 연료전지 스택의 내부에는 적절한 수분량이 유지되어야 하고, 특히 수분이 부족한 경우 드라이 아웃(Dry-out)이 발생하여 스택에 포함된 막-전극이 열화되고, 수분이 과다한 경우 플러딩(Flooding)이 발생하여 화학 반응이 활성화되지 못하는 문제가 발생한다.Moisture is contained inside the fuel cell stack in which the chemical reaction of the fuel cell occurs. In order to activate the chemical reaction, an adequate amount of moisture must be maintained inside the fuel cell stack. In particular, when the moisture is insufficient, dry-out occurs, resulting in deterioration of the membrane-electrode included in the stack, and flooding when moisture is excessive. (Flooding) occurs, which causes a problem that the chemical reaction cannot be activated.

따라서, 연료전지 제어에 있어서 연료전지 스택의 발전 성능 및 내구성을 유지하기 위하여 연료전지 스택의 함수량을 적절하게 유지하는 것이 필수적이다. 이를 위하여, 연료전지 스택의 함수량을 정확하게 추정하는 기술이 요구된다. Therefore, in order to maintain the power generation performance and durability of the fuel cell stack in controlling the fuel cell, it is essential to properly maintain the water content of the fuel cell stack. To this end, a technique for accurately estimating the water content of the fuel cell stack is required.

종래에는 연료전지의 출력전류, 내부의 압력, 온도 및 습도 등을 각각 센서들을 통하여 측정하여 추정하였으나, 이러한 추정방법은 함수량의 초기값과 변화량을 모두 산출하여야 현재 함수량을 추정할 수 있는 것이고, 함수량의 초기값을 도출하는 과정은 복잡한 사전 실험이 요구된다. 따라서, 연료전지 스택의 함수량을 직접적이고 간단하게 추정하는 기술이 요구되었다.In the past, the output current, internal pressure, temperature, and humidity of the fuel cell were measured and estimated through sensors, but this estimation method can estimate the current water content by calculating both the initial value and the amount of change in the water content. The process of deriving the initial value of is a complex preliminary experiment. Therefore, a technique for directly and simply estimating the water content of the fuel cell stack has been required.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The above descriptions as background arts are only for improving understanding of the background of the present invention, and should not be accepted as acknowledging that they correspond to the prior arts already known to those skilled in the art.

KR 10-0966226 BKR 10-0966226 B

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수의 입구온도와 출구온도 사이의 온도차를 이용하여 연료전지 스택의 비열을 추정함으로써 연료전지 스택의 함수량을 예측하는 기술을 제공하고자 함이다.The present invention has been proposed to solve this problem, and uses the temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack to estimate the specific heat of the fuel cell stack to predict the water content of the fuel cell stack. To provide.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 함수량 추정방법은 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계; 및 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계;를 포함한다.A method of estimating the water content of a fuel cell according to the present invention for achieving the above object comprises: measuring the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack; Calculating a current heat capacity of the fuel cell stack based on the measured temperature of the coolant; And estimating the water content of the fuel cell stack based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack.

냉각수의 온도를 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다.In the step of measuring the temperature of the coolant, the coolant inlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack, and the coolant outlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing out of the fuel cell stack, may be measured, respectively.

연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 단계에서는, 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택의 발열량 및 연료전지 스택의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출할 수 있다.In the step of calculating the current heat capacity of the fuel cell stack, the current heat capacity of the fuel cell stack may be calculated using the heat exchange amount between the fuel cell stack and the cooling water, the heat generation amount of the fuel cell stack, and the temperature change amount of the fuel cell stack.

연료전지 스택의 온도 변화량은 냉각수의 온도를 측정하는 단계에서 측정한 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정할 수 있다.The amount of change in the temperature of the fuel cell stack can be estimated by using the amount of change in the outlet temperature of the coolant, which is the temperature of the coolant flowing out of the fuel cell stack, measured in the step of measuring the temperature of the coolant.

연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.In the step of estimating the water content of the fuel cell stack, fuel is assumed by assuming that the sum of the initial heat capacity of the fuel cell stack without moisture and the current heat capacity of the water in the fuel cell stack is the current heat capacity of the fuel cell stack. The mass of water contained in the cell stack can be estimated.

연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계 이후에, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.After the step of estimating the water content of the fuel cell stack, controlling the water content of the fuel cell stack by controlling the temperature of the fuel cell stack based on the estimated water content of the fuel cell stack; may further include a.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값을 가변할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the target value of the coolant inlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack, may be varied based on the estimated water content of the fuel cell stack.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 증가시키고, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 감소시키도록 가변할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, when the estimated water content of the fuel cell stack is greater than the predetermined upper limit value, the target value of the coolant inlet temperature is increased, and the estimated water content of the fuel cell stack is smaller than the predetermined lower limit value. There may be variable to reduce the target value of the coolant inlet temperature.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 0으로 조절할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, when the estimated water content of the fuel cell stack is within a normal range that is below a preset upper limit value and above a predetermined lower limit value, a variable amount of the target value of the coolant inlet temperature may be adjusted to zero.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 증가하거나 감소하도록 조절할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the larger the difference between the estimated water content of the fuel cell stack and the predetermined upper limit value or the predetermined lower limit value, the more the variable amount to the target value of the cooling water inlet temperature can be adjusted to increase or decrease.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값으로 고정할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, a variable amount of the target value of the inlet temperature of the coolant may be fixed to a predetermined fixed value.

연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다.In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the target value of the variable cooling water inlet temperature may be limited to within a preset normal target range.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템은 연료전지 스택; 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계; 냉각계에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 온도 측정부에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 함수량 추정부;를 포함한다.A system for estimating water content in a fuel cell according to the present invention for achieving the above object includes a fuel cell stack; A cooling system that flows cooling water for cooling the fuel cell stack; A temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooling water included in the cooling system; And a water content estimator for calculating a current heat capacity of the fuel cell stack based on the temperature of the cooling water measured by the temperature measurement unit, and estimating the water content of the fuel cell stack based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack; It includes.

함수량 추정부에서는, 냉각계에서 연료전지 스택으로 유동시키는 냉각수의 유량을 이용하여 산출한 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량과 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출할 수 있다.In the water content estimator, the current heat capacity of the fuel cell stack can be calculated using the heat exchange amount between the fuel cell stack and the coolant calculated using the flow rate of the cooling water flowing from the cooling system to the fuel cell stack, and the calorific value of the fuel cell stack. have.

함수량 추정부에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.The water content estimator assumes that the sum of the initial heat capacity of the fuel cell stack without moisture and the heat capacity of the water in the current fuel cell stack is the current heat capacity of the fuel cell stack. The mass can be estimated.

함수량 추정부에서 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 냉각계를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 냉각 제어부;를 더 포함할 수 있다.It may further include a cooling control unit for controlling the water content of the fuel cell stack by controlling the cooling system based on the water content of the fuel cell stack estimated by the water content estimator.

본 발명의 연료전지의 함수량 추정방법 및 시스템에 따르면, 복잡한 연산 또는 실험 없이 직접적이고 간단한 방법으로 연료전지 스택의 함수량을 실시간으로 추정할 수 있는 효과를 갖는다.According to the method and system for estimating the water content of the fuel cell of the present invention, it has an effect of estimating the water content of the fuel cell stack in real time in a direct and simple manner without complicated calculation or experiment.

또한, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 가변함으로써 연료전지 스택의 함수량을 적절하게 유지시킬 수 있고, 이에 따라 연료전지의 발전 성능 및 내구성을 향상시키는 효과를 갖는다.In addition, it is possible to properly maintain the water content of the fuel cell stack by varying the temperature of the fuel cell stack based on the estimated water content of the fuel cell stack, and thus has an effect of improving the power generation performance and durability of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법의 순서도이다.
도 3은 연료전지 스택의 발열량 변화에 따른 냉각수의 입구온도 및 출구온도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.1 is a block diagram of a water content estimation system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart of a method for estimating water content in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the inlet temperature and the outlet temperature of the cooling water according to the heating value change of the fuel cell stack.
4 is a graph showing a variable amount of a target value of the cooling water inlet temperature according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a variable amount of the target value of the inlet temperature of the coolant according to another embodiment of the present invention.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. Specific structural or functional descriptions with respect to the embodiments of the present invention disclosed in the present specification or the application have been exemplified for the purpose of illustrating the embodiments according to the present invention, and the embodiments according to the present invention may be implemented in various forms. And may not be construed as limited to the embodiments described in this specification or application.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the embodiment according to the present invention can be applied to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first and / or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly The second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions describing the relationship between the components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly neighboring to," should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described is present, and one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the existence or addability of, steps, actions, components, parts or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and are not to be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined herein. .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals in each drawing denote the same members.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a water content estimation system of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정시스템은 연료전지 스택(10); 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계(30); 냉각계(30)에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부(20); 및 온도 측정부(20)에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 함수량 추정부(40);를 포함한다.Referring to Figure 1, a fuel cell water content estimation system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack (10); A cooling system 30 through which cooling water for cooling the fuel cell stack 10 flows; A temperature measuring unit 20 for measuring the temperature of the cooling water included in the cooling system 30; And calculating the current heat capacity of the fuel cell stack 10 based on the temperature of the cooling water measured by the temperature measuring unit 20, and based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack 10. It includes; water content estimator 40 for estimating the water content of (10).

연료전지 스택(10)은 수소극과 공기극에 각각 수소와 산소를 공급받아 화학 반응시킴으로써 전력을 발전한다. 화학 반응에 의해 전력 발전뿐만 아니라 연료전지 스택(10)에 발열이 발생한다.The fuel cell stack 10 generates electricity by chemically reacting with hydrogen and oxygen supplied to the hydrogen electrode and the air electrode, respectively. The chemical reaction not only generates electricity, but also generates heat in the fuel cell stack 10.

냉각계(30)는 연료전지 스택(10)의 발열을 냉각시키기 위하여 냉각수를 유동시킨다. 냉각계(30)는 연료전지 스택(10)과 연결된 냉각회로로 냉각수를 순환시키는 냉각 펌프(32), 냉각회로의 냉각수를 방열시키는 방열장치(33), 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 냉각수가 방열장치(33)를 통과하거나 바이패스하는 유량을 각각 제어하는 전자식 써모스탯(31, Thermostat) 등이 포함된다.The cooling system 30 flows cooling water to cool the heat generated by the fuel cell stack 10. The cooling system 30 includes a cooling pump 32 that circulates cooling water through a cooling circuit connected to the fuel cell stack 10, a heat dissipation device 33 that dissipates cooling water from the cooling circuit, and cooling water discharged from the fuel cell stack 10. It includes an electronic thermostat (31, Thermostat) and the like to control the flow rate of each passing or bypassing the heat dissipation device (33).

온도 측정부(20)는 냉각수의 온도를 측정한다. 냉각수의 온도를 측정하는 온도센서(21,22)는 냉각수가 연료전지 스택(10)의 입구로 유입되는 위치(21) 및 연료전지 스택(10)의 출구로 배출되는 위치(22)에 각각 설치될 수 있다. 즉, 온도 측정부(20)는 온도센서(21,22)를 통하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다. The temperature measuring unit 20 measures the temperature of the cooling water. The temperature sensors 21 and 22 for measuring the temperature of the coolant are respectively installed at a position 21 where the coolant flows into the inlet of the fuel cell stack 10 and a position 22 discharged to the outlet of the fuel cell stack 10, respectively. Can be. That is, the temperature measuring unit 20 is a cooling water inlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 10 through the temperature sensors 21 and 22, and a cooling water outlet, which is the temperature of cooling water flowing out of the fuel cell stack 10. Each temperature can be measured.

함수량 추정부(40)는 온도 측정부(20)에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하고, 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정할 수 있다. 구체적인 추정방법은 후술한다.The water content estimator 40 calculates the current heat capacity of the fuel cell stack 10 based on the temperature of the cooling water measured by the temperature measurement unit 20, and calculates the fuel based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack 10. The water content of the battery stack 10 can be estimated. The specific estimation method will be described later.

함수량 추정부(40)에서 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 냉각 제어부(50);를 더 포함할 수 있다.It may further include a cooling control unit 50 for controlling the water content of the fuel cell stack 10 by controlling the cooling system 30 based on the water content of the fuel cell stack 10 estimated by the water content estimator 40. have.

냉각 제어부(50)는 냉각계(30)에 포함된 냉각 펌프(32), 방열장치(33) 및 전자식 써모스탯(31)을 제어하여 연료전지 스택(10)의 온도를 제어할 수 있다. 특히, 함수량 추정부(40)에서 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절할 수 있다.The cooling control unit 50 may control the temperature of the fuel cell stack 10 by controlling the cooling pump 32 included in the cooling system 30, the heat dissipation device 33, and the electronic thermostat 31. In particular, the water content of the fuel cell stack 10 can be adjusted by controlling the cooling system 30 based on the water content of the fuel cell stack 10 estimated by the water content estimator 40.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법의 순서도이다.2 is a flow chart of a method for estimating water content in a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 함수량 추정방법은 연료전지 스택(10)을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100); 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계(S200); 및 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300);를 포함한다.2, the method of estimating the water content of a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes measuring a temperature of a cooling water cooling the fuel cell stack 10 (S100); Calculating a current heat capacity of the fuel cell stack 10 based on the measured temperature of the coolant (S200); And estimating the water content of the fuel cell stack 10 based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack 10 (S300).

도 3은 연료전지 스택(10)의 발열량 변화에 따른 냉각수의 입구온도 및 출구온도를 도시한 것이다.Figure 3 shows the inlet temperature and the outlet temperature of the cooling water according to the change in the heating value of the fuel cell stack (10).

도 3을 더 참조하면, 연료전지 스택(10)을 냉각하는 냉각수의 출구온도는 연료전지 스택(10)의 발열량, 냉각수 유량, 열용량 등을 이용한 에너지 방정식(열역학 제1법칙)을 통하여 추정될 수 있다.Referring to FIG. 3, the outlet temperature of the cooling water cooling the fuel cell stack 10 may be estimated through an energy equation (first law of thermodynamics) using the calorific value, the flow rate of the cooling water, and the heat capacity of the fuel cell stack 10. have.

그러나 냉각수 출구 추정온도(To,e)는 실제 온도센서(21,22)로 측정한 냉각수 출구온도(To)와 큰 차이를 보인다. 이는 연료전지 스택(10) 내부에 포함된 연료전지 스택(10)의 함수량이 가변됨에 따라 연료전지 스택(10)의 열용량이 가변되기 때문이다. 따라서, 가변되는 연료전지 스택(10)의 열용량을 산출함에 따라 연료전지 스택(10)의 함수량을 역으로 추정할 수 있어 직접적이고 간단한 방법으로 연료전지 스택(10)의 함수량을 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.However, the estimated coolant outlet temperature (To, e) shows a large difference from the coolant outlet temperature (To) measured by the actual temperature sensors (21, 22). This is because the heat capacity of the fuel cell stack 10 changes as the water content of the fuel cell stack 10 included in the fuel cell stack 10 varies. Therefore, as the heat capacity of the variable fuel cell stack 10 is calculated, the water content of the fuel cell stack 10 can be inversely estimated, thereby accurately estimating the water content of the fuel cell stack 10 in a direct and simple manner. Has an effect

구체적으로, 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100)에서는, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정할 수 있다.Specifically, in the step (S100) of measuring the temperature of the cooling water, the cooling water inlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 10, and the cooling water outlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing out of the fuel cell stack 10, respectively. Can be measured.

즉, 각각의 온도센서(21,22)를 이용하여 냉각수 입구온도와 냉각수 출구온도를 측정하고, 그 차이를 이용하여 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량을 산출할 수 있다.That is, the cooling water inlet temperature and the cooling water outlet temperature may be measured using the respective temperature sensors 21 and 22, and the heat exchange amount between the fuel cell stack 10 and the cooling water may be calculated using the difference.

연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하는 단계(S200)에서는, 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택(10)의 발열량 및 연료전지 스택(10)의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출할 수 있다.In the step (S200) of calculating the current heat capacity of the fuel cell stack 10, the heat exchange amount between the fuel cell stack 10 and the cooling water, the heat generation amount of the fuel cell stack 10 and the temperature change amount of the fuel cell stack 10 are calculated. Using it, the current heat capacity of the fuel cell stack 10 can be calculated.

연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량은 냉각수 입구온도(

Figure pat00001
)와 냉각수 출구온도(
Figure pat00002
) 사이의 차이 및 연료전지 스택(10)으로 공급되는 냉각수의 유량에 비례한다. 구체적으로, 연료전지 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환량 (연료전지 스택(10)을 기준으로)은 아래의 수식으로 산출할 수 있다.The heat exchange amount between the fuel cell stack 10 and the cooling water is the cooling water inlet temperature (
Figure pat00001
) And coolant outlet temperature (
Figure pat00002
) And the flow rate of the cooling water supplied to the fuel cell stack (10). Specifically, the heat exchange amount between the fuel cell stack 10 and the cooling water (based on the fuel cell stack 10) may be calculated by the following equation.

열교환량 =

Figure pat00003
[kcal/s]Heat exchange rate =
Figure pat00003
[kcal / s]

여기서,

Figure pat00004
는 냉각수 유량[kg/s],
Figure pat00005
는 냉각수 비열[kcal/k·℃]이다. 냉각수 유량은 냉각 펌프(32) 또는 연료전지 스택(10)의 입구에 유량센서가 위치되어 유량을 측정할 수 있다.here,
Figure pat00004
Is the coolant flow rate [kg / s],
Figure pat00005
Is the specific heat of cooling water [kcal / k · ℃]. The flow rate of the cooling water may be measured by a flow sensor located at the inlet of the cooling pump 32 or the fuel cell stack 10.

연료전지 스택(10)의 발열량(

Figure pat00006
[kcal/s])은 시간에 따른 연료전지 스택(10)의 발열량으로, 연료전지 스택(10)에서 출력하는 전류 및 전압을 이용해 계산할 수 있다. 또는, 연료전지 스택(10)의 내부저항 등을 측정하여 이용함으로써 계산할 수 있다.The calorific value of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00006
[kcal / s]) is the amount of heat generated by the fuel cell stack 10 over time, and can be calculated using current and voltage output from the fuel cell stack 10. Alternatively, it can be calculated by measuring and using the internal resistance of the fuel cell stack 10.

연료전지 스택(10)의 온도 변화량(

Figure pat00007
)은 연료전지 스택(10)의 온도를 직접 측정하여 시간에 따른 변화량을 측정할 수 있다.Temperature change amount of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00007
) May directly measure the temperature of the fuel cell stack 10 to measure the amount of change over time.

다른 실시예로, 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S100)에서 측정한 연료전지 스택(10)에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정할 수 있다. 구체적으로, 연료전지 스택(10)의 온도 변화량은 냉각수 출구온도의 변화량과 동일한 것으로 추정할 수 있다. 이에 따라, 직접 측정하기 어려운 연료전지 스택(10)의 온도에 대한 변화량을 간단하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.In another embodiment, the temperature of the coolant measured at step S100 of measuring the temperature of the coolant may be estimated using a change amount of the coolant outlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing out of the fuel cell stack 10. Specifically, it can be estimated that the temperature change amount of the fuel cell stack 10 is the same as the change amount of the coolant outlet temperature. Accordingly, it is possible to easily estimate the amount of change with respect to the temperature of the fuel cell stack 10, which is difficult to measure directly.

연료전지 스택(10)의 현재 열용량을 산출하는 단계(S200)에서는, 열역학 제1법칙의 에너지 방정식을 아래와 같이 이용할 수 있다.In the step (S200) of calculating the current heat capacity of the fuel cell stack 10, the energy equation of the first law of thermodynamics can be used as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서,

Figure pat00009
은 연료전지 스택(10)의 현재 열용량 [kcal/℃]이다. 이 식을 정리하면 아래와 같다.here,
Figure pat00009
Is the current heat capacity [kcal / ° C] of the fuel cell stack 10. The formula is as follows.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서, t는 현재 시점을 의미하고,

Figure pat00011
은 온도센서의 샘플링 타임을 의미한다.Here, t means the current time point,
Figure pat00011
Means the sampling time of the temperature sensor.

상기 수식을 이용하여, 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(

Figure pat00012
)을 산출할 수 있다.Using the above formula, the current heat capacity of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00012
).

연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300)에서는, 연료전지 스택(10)에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택(10)의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 질량을 추정할 수 있다.In the step (S300) of estimating the water content of the fuel cell stack 10, the sum of the initial heat capacity of the fuel cell stack 10 without moisture and the current heat capacity of the water included in the fuel cell stack 10 is calculated. Assuming that it is the current heat capacity of one fuel cell stack 10, the mass of water contained in the fuel cell stack 10 can be estimated.

즉, 연료전지 스택(10)에 다른 불순물 등은 포함되지 않고 스택 자체와 물만 존재하는 것으로 가정하는 것으로, 연료전지 스택(10)의 현재 열용량(

Figure pat00013
)은 수분을 포함하지 않은 상태의 초기 연료전지 스택(10)의 열용량인 초기 열용량(
Figure pat00014
)과 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 열용량(
Figure pat00015
)의 합으로 가정하는 것이다. 따라서 아래의 수식으로 표현할 수 있다.That is, assuming that the fuel cell stack 10 does not include other impurities, but only the stack itself and water, the current heat capacity of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00013
) Is the initial heat capacity (that is, the heat capacity of the initial fuel cell stack 10 without moisture.
Figure pat00014
) And the heat capacity of water currently contained in the fuel cell stack (10)
Figure pat00015
). Therefore, it can be expressed by the following equation.

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 수식은 열용량이 질량과 비열의 곱인 점을 고려하여 아래와 같이 표현될 수 있다.The above formula can be expressed as follows, considering that the heat capacity is the product of mass and specific heat.

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서,

Figure pat00018
은 연료전지 스택(10)의 초기 비열 [kcal/kg·℃]이고,
Figure pat00019
은 물의 비열 [kcal/kg·℃]이다.here,
Figure pat00018
Is the initial specific heat [kcal / kg · ℃] of the fuel cell stack 10,
Figure pat00019
Is the specific heat of water [kcal / kg · ℃].

연료전지 스택(10)의 초기 질량(

Figure pat00020
), 연료전지 스택(10)의 초기 비열(
Figure pat00021
) 및 물의 비열(
Figure pat00022
)은 불변값으로, 초기에 실험에 의해 기설정된다. 따라서, 아래의 수식을 이용하여 현재 연료전지 스택(10)에 포함된 물의 질량(
Figure pat00023
)을 산출할 수 있다.Initial mass of fuel cell stack 10 (
Figure pat00020
), Initial specific heat of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00021
) And specific heat of water (
Figure pat00022
) Is a constant value, and is initially set by experiment. Therefore, the mass of water currently contained in the fuel cell stack 10 is calculated using the following formula (
Figure pat00023
).

Figure pat00024
Figure pat00024

연료전지 스택(10)의 함수량을 추정하는 단계(S300) 이후에, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 연료전지 스택(10)의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400);를 더 포함할 수 있다.After the step of estimating the water content of the fuel cell stack 10 (S300), the water content of the fuel cell stack 10 is controlled by controlling the temperature of the fuel cell stack 10 based on the estimated water content of the fuel cell stack 10. It may further include the step of adjusting (S400).

구체적으로, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 정상 범위인 경우에는 이를 유지하도록 제어할 수 있고(S430), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 정상 범위를 벗어난 경우(S410, S420)에는 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절할 수 있다(S411, S421). 이를 위하여 냉각계(30)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 온도를 제어할 수 있다.Specifically, when the estimated water content of the fuel cell stack 10 is within a normal range, it can be controlled to maintain it (S430), and when the estimated water content of the fuel cell stack 10 is outside the normal range (S410, S420) ), The water content of the fuel cell stack 10 can be adjusted (S411, S421). To this end, the temperature of the fuel cell stack 10 can be controlled by controlling the cooling system 30.

따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 적정한 수준으로 유지되도록 제어하여 연료전지 스택(10)의 내구성 및 발전 성능 향상의 효과를 가질 수 있다.Therefore, the water content of the fuel cell stack 10 is controlled to be maintained at an appropriate level, thereby improving the durability and power generation performance of the fuel cell stack 10.

연료전지 스택(10)의 온도를 제어하기 위한 방법으로는 냉각 펌프(32)의 회전속도[rpm]을 가변하여 냉각수 유량을 제어하거나, 방열장치(33)에 포함된 냉각팬의 회전속도[rpm]을 가변시키거나 전자식 써모스탯(31)을 제어하여 바이패스 유량을 가변함으로써 방열량을 제어할 수 있다. As a method for controlling the temperature of the fuel cell stack 10, the rotation speed [rpm] of the cooling pump 32 is variable to control the flow rate of the cooling water, or the rotation speed [rpm] of the cooling fan included in the heat dissipation device 33 ] Or the electronic thermostat 31 to control the bypass flow rate to control the amount of heat dissipation.

다른 실시예로는, 연료전지 스택(10)의 발전량을 제어하는 발전량 제어부(미도시)에서 연료전지 스택(10)의 전력 발전량을 증가시키도록 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 발열량을 증가시킬 수 있다.In another embodiment, the amount of heat generated in the fuel cell stack 10 is increased by controlling the power generation amount control unit (not shown) that controls the amount of power generation of the fuel cell stack 10 to increase the amount of power generated by the fuel cell stack 10. You can.

본 발명의 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량을 기반으로 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00025
)을 가변할 수 있다.In the step (S400) of adjusting the water content of the fuel cell stack 10 of the present invention, based on the estimated water content of the fuel cell stack 10, the cooling water inlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 10, Target value (
Figure pat00025
).

특히, 냉각 제어부(50)는 냉각수 입구온도가 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00026
)을 추종하도록 전자식 써모스탯(31)을 제어할 수 있다. 즉, 방열장치(33)를 통과한 냉각수와 방열장치(33)를 바이패스한 냉각수를 혼합하는 비율을 가변함으로써 냉각수 입구온도가 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00027
)이 되도록 제어할 수 있다.In particular, the cooling control unit 50 has a cooling water inlet temperature target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00026
), The electronic thermostat 31 can be controlled. That is, the cooling water inlet temperature is a target value of the cooling water inlet temperature by varying the ratio of mixing the cooling water passing through the heat dissipation device 33 and the cooling water bypassing the heat dissipation device 33 (
Figure pat00027
).

구체적으로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우(S410)에는 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00028
)을 증가시키고(S411), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우(S420)에는 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00029
)을 감소시키도록 가변할 수 있다(S421).Specifically, in the step of adjusting the water content of the fuel cell stack 10 (S400), if the estimated water content of the fuel cell stack 10 is greater than a predetermined upper limit value (S410), the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00028
) (S411), and when the estimated water content of the fuel cell stack 10 is smaller than a predetermined lower limit (S420), the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00029
) Can be variable to reduce (S421).

즉, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우(S410)에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00030
)을 양수로 설정하고(S411), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우(S420)에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00031
)을 음수로 설정할 수 있다(S421).That is, when the estimated water content of the fuel cell stack 10 is greater than a predetermined upper limit value (S410), a variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00030
) Is set to a positive number (S411), and if the estimated water content of the fuel cell stack 10 is smaller than a preset lower limit value (S420), a variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00031
) May be set to a negative number (S421).

반대로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00032
)을 0으로 조절할 수 있다(S430).Conversely, in the step (S400) of adjusting the water content of the fuel cell stack 10, the target value of the cooling water inlet temperature when the estimated water content of the fuel cell stack 10 is less than or equal to a preset upper limit and a predetermined lower limit or higher. Variable amount for
Figure pat00032
) Can be adjusted to 0 (S430).

즉, 연료전지 스택(10)의 함수량에 대한 정상범위는 기설정된 상한값과 기설정된 하한값 사이의 범위로, 정상범위에 해당하면 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00033
)을 가변하지 않을 수 있다.That is, the normal range for the water content of the fuel cell stack 10 is a range between a preset upper limit value and a preset lower limit value, and if it corresponds to the normal range, the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00033
) May not be variable.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.4 is a graph showing a variable amount of a target value of the cooling water inlet temperature according to an embodiment of the present invention.

도 4를 더 참조하면, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00034
)을 설정하는 일 실시예로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00035
)을 증가하거나 감소할 수 있다. 즉, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00036
)은 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량(
Figure pat00037
)과 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값 사이의 차이에 비례하여 증가하는 함수값(
Figure pat00038
)으로 정해질 수 있다.4, the variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00034
In an embodiment of setting), in the step of adjusting the water content of the fuel cell stack 10 (S400), the larger the difference between the estimated water content of the fuel cell stack 10 and the preset upper limit value or the preset lower limit value, the greater the cooling water inlet. Variable amount for the target value of temperature (
Figure pat00035
) Can be increased or decreased. That is, the variable amount of the target value of the inlet temperature of the coolant (
Figure pat00036
) Is the estimated water content of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00037
) And a function value that increases in proportion to the difference between a preset upper limit or a preset lower limit (
Figure pat00038
).

구체적으로, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00039
)이 증가하고(
Figure pat00040
), 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값보다 작을수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00041
)이 감소될 수 있다(
Figure pat00042
).Specifically, as the water content of the estimated fuel cell stack 10 is larger than a preset upper limit value, a variable amount of the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00039
) Increases (
Figure pat00040
), The less the estimated water content of the fuel cell stack 10 is lower than the preset lower limit value, the variable amount to the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00041
) Can be reduced (
Figure pat00042
).

도 4에 도시한 것과 같이, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값보다 크거나 기설정된 하한값보다 작은 범위에서 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00043
)은 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량에 선형적으로 비례할 수 있다(
Figure pat00044
). As shown in FIG. 4, the variable amount of the target value of the coolant inlet temperature in the range of the estimated water content of the fuel cell stack 10 is greater than the predetermined upper limit value or smaller than the predetermined lower limit value (
Figure pat00043
) May be linearly proportional to the estimated water content of the fuel cell stack 10 (
Figure pat00044
).

냉각수 입구온도의 타겟값을 상승시킴으로써 연료전지 스택(10) 내부의 온도가 상승됨에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 포화수증기압이 증가하여 연료전지 스택(10) 내부의 수분이 증기 상태로 배출된다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 감소되도록 제어될 수 있다.By increasing the target value of the inlet temperature of the cooling water, as the temperature inside the fuel cell stack 10 increases, the saturated water vapor pressure inside the fuel cell stack 10 increases, and moisture inside the fuel cell stack 10 is discharged in a vapor state. . Therefore, it can be controlled so that the water content of the fuel cell stack 10 is reduced.

반대로, 냉각수 입구온도의 타겟값을 하강시킴으로써 연료전지 스택(10) 내부의 온도가 감소됨에 따라 연료전지 스택(10) 내부의 포화수증기압이 감소하여 연료전지 스택(10) 내부의 증기가 액적 상태의 수분으로 축적된다. 따라서, 연료전지 스택(10)의 함수량이 증가되도록 제어될 수 있다.Conversely, as the temperature inside the fuel cell stack 10 decreases by lowering the target value of the cooling water inlet temperature, the saturated water vapor pressure inside the fuel cell stack 10 decreases, and the vapor inside the fuel cell stack 10 is in a droplet state. Accumulates as moisture. Therefore, it can be controlled such that the water content of the fuel cell stack 10 is increased.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 도시한 그래프이다.5 is a graph showing a variable amount of the target value of the inlet temperature of the coolant according to another embodiment of the present invention.

도 5를 더 참조하면, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00045
)을 설정하는 다른 실시예로, 연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값(α)으로 고정할 수 있다. 5, the variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00045
In another embodiment of setting), in the step of adjusting the water content of the fuel cell stack 10, a variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature may be fixed to a predetermined fixed value α.

즉, 추정한 연료전지 스택(10)의 함수량과 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값 사이의 차이에 무관하게 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00046
)을 고정값(α)으로 고정하는 것이다.That is, regardless of the difference between the estimated water content of the fuel cell stack 10 and a predetermined upper limit value or a predetermined lower limit value, a variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature (
Figure pat00046
) Is fixed at a fixed value (α).

여기에서도 연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값과 하한값 사이의 정상범위인 구간에서는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(

Figure pat00047
)을 0으로 고정할 수 있다.Here, in the section where the water content of the fuel cell stack 10 is within a normal range between a preset upper limit and a lower limit, a variable amount of the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00047
) To 0.

연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 상한값을 초과하는 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00048
)이 증가하도록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00049
)이 양수의 고정값(α)으로 고정할 수 있다.When the water content of the fuel cell stack 10 exceeds a preset upper limit, the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00048
Variable amount to the target value of the coolant inlet temperature to increase)
Figure pat00049
) Can be fixed to a positive fixed value (α).

연료전지 스택(10)의 함수량이 기설정된 하한값 미만인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00050
)이 감소하도록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00051
)이 음수의 고정값(-α)으로 고정할 수 있다.When the water content of the fuel cell stack 10 is less than a predetermined lower limit value, the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00050
Variable amount of target value of cooling water inlet temperature ()
Figure pat00051
) Can be fixed to a negative fixed value (-α).

연료전지 스택(10)의 함수량을 조절하는 단계(S400)에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00052
)을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다(S440).In the step (S400) of adjusting the water content of the fuel cell stack 10, the target value of the variable cooling water inlet temperature (
Figure pat00052
) May be limited to within a preset normal target range (S440).

즉, 냉각수 입구온도의 타겟값(

Figure pat00053
)에 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량(
Figure pat00054
)을 합산한 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값(
Figure pat00055
)을 최종적으로 정상 타겟 범위 이내로 제한할 수 있다.That is, the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00053
) Is the variable amount for the target value of the coolant inlet temperature (
Figure pat00054
Target value of variable cooling water inlet temperature summed)
Figure pat00055
) Can be finally limited to within the normal target range.

기설정된 정상 타겟 범위는 연료전지 스택(10)을 냉각하는 냉각수의 냉각효율 등을 고려하여 실험적으로 사전에 기설정될 수 있다. 이에 따라, 냉각수 입구온도의 타겟값을 최종적으로 정상 타겟 범위 이내로 제한함에 따라 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제어의 강건성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.The preset normal target range may be experimentally preset in advance in consideration of cooling efficiency of cooling water for cooling the fuel cell stack 10. Accordingly, as the target value of the cooling water inlet temperature is finally limited to within the normal target range, it has an effect of improving the robustness of control for cooling the fuel cell stack 10.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Although illustrated and described in connection with specific embodiments of the present invention, it is understood in the art that the present invention may be variously improved and changed within the limits that do not depart from the technical spirit of the present invention provided by the following claims. It will be obvious to those of ordinary skill.

10 : 연료전지 스택 20 : 온도 측정부
30 : 냉각계 40 : 함수량 추정부
50 : 냉각 제어부10: fuel cell stack 20: temperature measurement unit
30: cooling system 40: water content estimation unit
50: cooling control

Claims (16)

연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 단계;
측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하는 단계; 및
산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계;를 포함하는 연료전지의 함수량 추정방법.Measuring the temperature of the cooling water that cools the fuel cell stack;
Calculating a current heat capacity of the fuel cell stack based on the measured temperature of the coolant; And
Estimating the water content of the fuel cell stack, comprising: estimating the water content of the fuel cell stack based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
냉각수의 온도를 측정하는 단계에서는, 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도 및 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도를 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.The method according to claim 1,
In the step of measuring the temperature of the cooling water, the method for estimating the water content of the fuel cell, characterized in that the cooling water inlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack, and the cooling water outlet temperature, which is the temperature of the cooling water flowing out of the fuel cell stack, are respectively measured. . 청구항 1에 있어서,
연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 단계에서는, 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량, 연료전지 스택의 발열량 및 연료전지 스택의 온도 변화량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.The method according to claim 1,
In the step of calculating the current heat capacity of the fuel cell stack, the current heat capacity of the fuel cell stack is calculated using the heat exchange amount between the fuel cell stack and the cooling water, the heat generation amount of the fuel cell stack, and the temperature change amount of the fuel cell stack. Method for estimating water content in fuel cells. 청구항 3에 있어서,
연료전지 스택의 온도 변화량은 냉각수의 온도를 측정하는 단계에서 측정한 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도인 냉각수 출구온도의 변화량을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.The method according to claim 3,
The method of estimating the water content of a fuel cell is characterized by estimating a change in the temperature of the fuel cell stack using a change in the coolant outlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing out of the fuel cell stack measured in the step of measuring the temperature of the coolant. 청구항 1에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정방법.The method according to claim 1,
In the step of estimating the water content of the fuel cell stack, fuel is assumed by assuming that the sum of the initial heat capacity of the fuel cell stack without moisture and the current heat capacity of the water in the fuel cell stack is the current heat capacity of the fuel cell stack. Method for estimating water content in fuel cell, characterized by estimating the mass of water contained in the cell stack. 청구항 1의 연료전지의 함수량을 추정하는 방법을 이용하여 연료전지의 함수량을 제어하는 방법에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 추정하는 단계 이후에, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택의 온도를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.In the method for controlling the water content of the fuel cell using the method for estimating the water content of the fuel cell of claim 1,
After the step of estimating the water content of the fuel cell stack, controlling the water content of the fuel cell stack by controlling the temperature of the fuel cell stack based on the estimated water content of the fuel cell stack; How to control the water content. 청구항 6에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수의 온도인 냉각수 입구온도의 타겟값을 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 6,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the method for controlling the water content of the fuel cell, characterized in that the target value of the coolant inlet temperature, which is the temperature of the coolant flowing into the fuel cell stack, is varied based on the estimated water content of the fuel cell stack. . 청구항 7에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값보다 큰 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 증가시키고, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 하한값보다 작은 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값을 감소시키도록 가변하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 7,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, when the estimated water content of the fuel cell stack is greater than the predetermined upper limit value, the target value of the coolant inlet temperature is increased, and the estimated water content of the fuel cell stack is smaller than the predetermined lower limit value. The method of controlling the water content of the fuel cell, characterized in that variable to reduce the target value of the cooling water inlet temperature. 청구항 7에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 이하이고 기설정된 하한값 이상인 정상범위인 경우에는 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 0으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 7,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, when the estimated water content of the fuel cell stack is within a normal range equal to or less than a predetermined upper limit value and a predetermined lower limit value, the variable amount of the target value of the coolant inlet temperature is adjusted to 0. Method for controlling the water content of a fuel cell. 청구항 8에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 추정한 연료전지 스택의 함수량이 기설정된 상한값 또는 기설정된 하한값과 차이가 클수록 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 증가하거나 감소하도록 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 8,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, as the difference between the estimated water content of the fuel cell stack and the predetermined upper limit value or the predetermined lower limit value increases, the variable amount of the target value of the cooling water inlet temperature is increased or decreased. Control method of water content in fuel cells. 청구항 8에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 냉각수 입구온도의 타겟값에 대한 가변량을 기설정된 고정값으로 고정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 8,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the method for controlling the water content of the fuel cell, characterized in that the variable amount of the target value of the inlet temperature of the cooling water is fixed to a predetermined fixed value. 청구항 7에 있어서,
연료전지 스택의 함수량을 조절하는 단계에서는, 가변한 냉각수 입구온도의 타겟값을 기설정된 정상 타겟 범위 이내로 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어방법.The method according to claim 7,
In the step of adjusting the water content of the fuel cell stack, the method for controlling the water content of the fuel cell, characterized in that the target value of the variable cooling water inlet temperature is limited to within a predetermined normal target range. 연료전지 스택;
연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각계;
냉각계에 포함된 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
온도 측정부에서 측정한 냉각수의 온도를 기반으로 연료전지 스택의 현재 열용량(Heat Capacity)을 산출하고, 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량을 기반으로 연료전지 스택의 함수량을 추정하는 함수량 추정부;를 포함하는 연료전지의 함수량 추정시스템.Fuel cell stack;
A cooling system that flows cooling water for cooling the fuel cell stack;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooling water included in the cooling system; And
A moisture content estimator for calculating a current heat capacity of the fuel cell stack based on the temperature of the coolant measured by the temperature measuring unit and estimating a water content of the fuel cell stack based on the calculated current heat capacity of the fuel cell stack; A system for estimating water content of fuel cells. 청구항 13에 있어서,
함수량 추정부에서는, 냉각계에서 연료전지 스택으로 유동시키는 냉각수의 유량을 이용하여 산출한 연료전지 스택과 냉각수 사이의 열교환량과 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택의 현재 열용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정시스템.The method according to claim 13,
The water content estimating unit calculates the current heat capacity of the fuel cell stack by using the heat exchange amount between the fuel cell stack and the coolant calculated using the flow rate of the cooling water flowing from the cooling system to the fuel cell stack and the calorific value of the fuel cell stack. A fuel cell water content estimation system characterized by the above-mentioned. 청구항 13에 있어서,
함수량 추정부에서는, 연료전지 스택에 수분이 포함되지 않은 상태의 초기 열용량과 현재 연료전지 스택에 포함된 물의 열용량의 합이 산출한 연료전지 스택의 현재 열용량인 것으로 가정함으로써 연료전지 스택에 포함된 물의 질량을 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 추정시스템.The method according to claim 13,
The water content estimator assumes that the sum of the initial heat capacity of the fuel cell stack without moisture and the heat capacity of the water in the current fuel cell stack is the current heat capacity of the fuel cell stack. A fuel cell water content estimation system characterized by estimating mass. 청구항 1의 연료전지의 함수량을 추정하는 시스템을 이용하여 연료전지의 함수량을 제어하는 시스템에 있어서,
함수량 추정부에서 추정한 연료전지 스택의 함수량을 기반으로 냉각계를 제어함으로써 연료전지 스택의 함수량을 조절하는 냉각 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 함수량 제어시스템.In the system for controlling the water content of the fuel cell using the system for estimating the water content of the fuel cell of claim 1,
And a cooling control unit for controlling the water content of the fuel cell stack by controlling the cooling system based on the water content of the fuel cell stack estimated by the water content estimating unit.
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